Вход в пустоту

Из книги «Астероиды: рожденные пламенем»

Ничто так не успокаивает нервы и не настраивает на философский лад, как чтение о том, что происходило миллиарды лет назад с объектами масштабом в десятки миллиардов километров. Публикуем отрывок из книги астронома Леонида Еленина, посвященный времени до рождения Солнца.

Все мы начиная с 24 февраля 2022 года оказались перед лицом наступающего варварства, насилия и лжи. В этой ситуации чрезвычайно важно сохранить хотя бы остатки культуры и поддержать ценности гуманизма — в том числе ради будущего России. Поэтому редакция «Горького» продолжит говорить о книгах, напоминая нашим читателям, что в мире остается место мысли и вымыслу.

Леонид Еленин. Астероиды: рожденные пламенем/ М.: Эксмо, 2025. Содержание

Астероидам повезло: они были открыты перед настоящей революцией в астрономии — изобретением фотографии и спектроскопии. В отличие от тысячелетней истории познания сути комет, вековая история астероидов кажется нам возгоревшейся научной искрой. Представьте себе: на поверхность первого околоземного астероида, открытого в 1898 году, человечество осуществило мягкую посадку космического аппарата спустя всего 103 года! И это при том, что кометы более полутора тысяч лет считались «сигнальными кострами богов» и не признавались космическими объектами, равными планетам. По сути, история настоящего изучения этих двух связанных между собой видов малых тел Солнечной системы началась почти одновременно. В этой главе я расскажу вам о еще более масштабной истории формирования этих тел — о том, с чего все началось и к чему пришло. Что из себя представляют астероиды с физико- химической точки зрения? Где они были сформированы и где оказались в нашу эпоху? Мы отправимся с вами на 4,5 миллиарда лет назад, туда, где в темноте газопылевого облака, еще до рождения Солнца, уже было то вещество, из которого впоследствии и образовались главные герои этой книги. Время назад!

В пустом космическом пространстве царило черное безмолвие, поблескивающее огоньками далеких, возможно, давно погибших звезд. Так оно выглядело бы для наблюдателя, если бы он очутился там, где через миллиарды лет будет бушевать неистовое Солнце, испепеляющее своим жаром падающие на него хрупкие кометы. На самом деле вокруг нашего наблюдателя было бы очень много газа и немного пыли, выброшенных в бескрайний космос давно погибшими звездами, но вещество это было бы столь разреженным, что в объеме нашей планеты его помещалось бы всего несколько килограммов. Да, сейчас бы мы сказали, что это вакуум. Тем поразительней тот факт, что из этого «ничего» появилась вся наша планетная система, от Солнца до невообразимо далеких астероидов транснептунового пояса и ледяных тел облака Оорта.

Если бы вещество этой туманности подсвечивалось близкой звездой, то далекие астрономы неизвестных нам миров в свои мощные телескопы смогли бы рассмотреть интересные процессы, происходящие в глубоком космосе, там, где только начинала зарождаться новая планетная система. Это облако не было статичным: оно медленно клубилось под действием звездных ветров, веющих в космическом пространстве, и мощного магнитного поля, которым уже обладала наша исполинская «пустота». Газ струился, в нем образовывались неоднородности — сгустки материи. Как только эти уплотнения набирали определенную массу, в дело вступала ее величество гравитация. Это был переломный момент: дороги назад уже не было. «Узелки» газа становились массивней, а значит, росла и сила их гравитации. Более крупные сгустки «пожирали» более мелкие и становились еще сильнее. В итоге остался лишь один — тот, что станет Солнцем.

Сгусток становился все массивнее, втягивая в свой круговорот все больше и больше окружающего газа. Это вращение мы наблюдаем и сейчас: его угловой момент сохранился до наших дней. Подавляющая часть массы современной Солнечной системы вращается в одном направлении — против часовой стрелки, если смотреть с «северного полюса» нашего планетного островка, затерянного в одном из небольших рукавов Галактики. Итак, воронка росла, а вещество в его центре становилось все плотнее — росли давление и температура. В отдельных областях сгустка при превышении температуры свыше 3 млн градусов начал воспламеняться водород, но это еще не было рождением звезды. Гравитационный коллапс продолжался: протозвезда бурлила, пока температура в ее центре не превысила порядка 15 млн градусов. Именно тогда и началась самоподдерживающаяся термоядерная реакция превращения водорода в гелий: родилась звезда, озарившая своим первым светом вращающийся вокруг нее раскаленный протопланетный диск...

Он был огромен: его диаметр составлял несколько десятков миллиардов километров. Из-за огромных температур в нем расплавились, а позже и вовсе испарились почти все твердые частицы, образовавшиеся еще до рождения Солнца. Но все же кое-что осталось. Газовый диск, отдавая тепло в космическое пространство, постепенно охлаждался, и спустя примерно 100 тысяч лет после рождения нашей звезды — мгновения по меркам возраста Вселенной — газ начал постепенно конденсироваться в твердые вещества: минералы. Первый из них — корунд (Al2O3) — содержал смесь кислорода (O2) и алюминия (Al). Его век был недолог: продолжающий остывать газ начал взаимодействовать с ним, медленно разрушая. Но во Вселенной ничто не исчезает бесследно. Корунд дал начало новому минералу — уже с примесью кальция (Ca) — хибониту (CaAl12O19), а за ним последовали и другие. Еще дальше от Солнца, там, где температура была ниже, начали формироваться пылинки железа (Fe), магния (Mg), кремния (Si) и оливина (MgFe)2[SiO4]. За ними, там, где было еще холоднее — калий (К), натрий (Na) и крупинки полевых шпатов (К[AlSi3O8] — Na[AlSi3O8] — Са[Al2Si2O8]) — породообразующих минералов, которые составляют половину массы коры нашей планеты. Примерно в 500 миллионах километров от Солнца, где сейчас заканчивается Главный пояс астероидов, конденсировались частички водяного льда (H2O), а еще дальше, где свет молодого Солнца был совсем слабым — главный компонент всей органики, углерод, и крохотные льдинки замороженного аммиака (NH3 ) и метана (CH4).

Как в нашу эпоху солнечный ветер и давление солнечного света развевают длинные хвосты комет, так и во времена новорожденного Солнца все было примерно схоже, правда, еще не было самих комет, как и прочих обитателей Солнечной системы. Свет нашей звезды уже гнал прочь крохотные частички пыли: начало происходить смешивание высокотемпературных и низкотемпературных конденсатов, которые изначально образовались на различных расстояниях от звезды. Турбулентные потоки газа от совсем еще юного Солнца также перемешивали пыль. Сила статического электричества притягивала крохотные пылинки, и они начали собираться в бесформенные хлопья размером в несколько миллиметров и даже сантиметров. Эти хлопья сталкивались, но часто не разрушались, а наоборот, соединялись воедино. Начали появляться еще большие сгустки твердого вещества. Когда самые крупные из них достигли определенной массы, на авансцену вновь вышла гравитация. Все повторялось вновь, но теперь в гораздо меньших масштабах.

Этот процесс шел миллионы лет — не так уж и много по меркам космоса. В результате в Солнечной системе появились первые по-настоящему крупные объекты — планетезимали. Те, что образовались ближе к Солнцу, состояли исключительно из скальных пород; за снеговой линией к высушенному камню добавлялись водосодержащие минералы и лед. Теперь уже эти тела размером в километры и десятки километров соединялись воедино при неупругих столкновениях. А те, что разрушались, в конце концов становились частью своих более удачливых собратьев. Они росли, росла и сила их гравитации, собирающая еще не использованную пыль и осколки разрушившихся тел. Когда «успешные» планетезимали достигли размера в 250–300 километров, под силой самогравитации они стали принимать сферическую форму. Это были уже зародыши будущих планет, которые неоднократно объединялись или разрушались, но после вновь были собраны воедино, чтобы в итоге образовать планеты. До снеговой линии — каменные, а за ней — менее плотные, но намного более массивные газовые гиганты.

Когда планеты вобрали в себя все планетезимали, до которых могли «дотянуться» силой своей могучей гравитации, они перестали быстро расти. Хотя, конечно же, столкновения в Солнечной системе в то время были обычным делом. Сами планеты активно мигрировали, о чем я подробно рассказал в книге «Кометы. Странники Солнечной системы», так что не буду здесь повторяться. Юпитер изначально находился дальше от Солнца, чем сейчас. С ним постоянно сближались малые тела, которые он выбрасывал силой своей гравитации на периферию Солнечной системы и даже прочь из нее, и таким образом сам медленно двигался в противоположном направлении, ближе к Солнцу, туда, где все еще находилось немало неизрасходованного «строительного материала». Этот материал также слипался и увеличивался в размерах, но все попытки построить еще одну планету пресекались мощной гравитацией Юпитера, не дававшей собраться воедино другому крупному телу.

Столь древнюю динамическую историю нашей планетной системы мы можем изучать лишь путем математического моделирования. С его помощью ученые заключили, что в области между Марсом и Юпитером могли сформироваться десятки «планетных эмбрионов» диаметром от 500 до 1000 километров, а общая масса вещества, включающего и более мелкие тела, составляла около 4–5 масс Земли. Но в итоге большая часть вещества была рассеяна сразившимися в «великой гравитационной схватке» Юпитером и Сатурном, которые вошли в орбитальный резонанс. Царивший тогда хаос, в котором тела постоянно меняли свои орбиты и сталкивались друг с другом, привел к тому, что пояс малых тел между орбитами Марса и Юпитера потерял до 99% своей общей массы, а крупные «эмбрионы» планет были попросту разрушены в страшных космических столкновениях. Сейчас этот пояс «выживших» реликтовых тел, не столкнувшихся с Солнцем, не ставших частью одной из планет Солнечной системы и не выброшенных на ее периферию или в межзвездное пространство, мы знаем как Главный пояс астероидов.

Пройдя через горнило становления и эволюции Солнечной системы, он стал совсем другим, чем был тогда, когда все еще оставался шанс на формирование еще одной планеты между орбитами Марса и Юпитера. Что же с динамической точки зрения он представляет собой в нашу эпоху? После окончания миграции планет-гигантов, когда все они нашли свое равновесное положение, структура этого пояса почти не менялась, хотя он постепенно терял и все еще продолжает медленно терять свою массу. Как же это происходит? Если взглянуть на распределение известных нам астероидов Главного пояса по среднему расстоянию от Солнца (большой полуоси их орбит), то мы увидим, что, хотя у него и нет четко очерченных границ, но подавляющее большинство каталогизированных объектов располагается в промежутке от 2,1 до 3,3 а. е. от Солнца, и они явно разделены какими-то невидимыми человеческому глазу барьерами. Эти барьеры выстроены гравитацией, и каждый из них соответствует определенному орбитальному резонансу с царем всех планет — Юпитером.

Резонансы являются определяющей силой динамической эволюции Солнечной системы: когда-то именно они «заставили» мигрировать целые планеты! После того как Юпитер занял свое положение, часть астероидов, обращающихся перед его орбитой, была поймана в сильные целочисленные резонансы, когда на один оборот гиганта приходилось несколько оборотов малого тела. В этой книге я часто говорю: «Юпитер выбросил какой-то объект». Но как так происходит, если гравитация — это сила притяжения? Это же не дипольное взаимодействие, как в магнетизме, когда разноименные полюса притягиваются, а равноименные, наоборот, отталкиваются друг от друга.

Все дело в том, что когда Солнце, астероид и Юпитер выстраиваются на одной линии (для простоты мы пренебрегаем наклонением их орбит), по-научному это называется противостоянием. В этот момент астероид и планета находятся на минимальном расстоянии друг от друга (мы помним, что орбиты планет, особенно астероидов, представляют собой не окружности, а эллипсы). В этот момент гравитационное воздействие Юпитера на астероид максимально: он притягивает его к себе, постепенно «вытягивая» его орбиту — увеличивая ее эксцентриситет. Из двух простейших формул расчета расстояния перигелия и афелия по кеплеровым элементам их орбит следует, что тем самым планета сокращает расстояние перигелия и увеличивает расстояние афелия орбиты астероида, попавшего с ней в орбитальный резонанс. С каждым противостоянием это гравитационное воздействие увеличивается, ведь в афелии астероид все ближе и ближе подходит к планете-гиганту, а его орбита вытягивается настолько, что астероид начинает пересекать уже орбиту Марса, который, в свою очередь, «помогает» направить космического гостя к орбите Земли и дальше. В итоге орбита астероида может полностью измениться, настолько приблизившись к Солнцу, что окажется внутри орбиты Земли.

Вот так со временем Юпитер «выбросил» почти все объекты из зон резонанса, создав пустынные области, где почти нет астероидов — люки Кирквуда, названные так по фамилии американского ученого Даниэля Кирквуда. Он высказал свою блестящую гипотезу еще в 1857 году, когда область между орбитами Марса и Юпитера только начинали называть «поясом астероидов», а всего их было известно около полусотни. Сейчас обнаружены и исследованы свыше десятка резонансов. Некоторые из них относят к сильным, и в этих областях пространства почти нет астероидов, а тела, которые попадают туда вследствие медленной миграции или столкновений, по космическим меркам быстро, за тысячи лет, «выбрасываются» вовне. К таким резонансам можно отнести орбиты со средним расстоянием от Солнца в 1,78 а. е. (5:1), 2,07 а. е. (4:1), 2,5 а. е. (3:1), 2,83 а. е. (5:2), 2,96 а. е. (7:3) и 3,28 а. е. (2:1).

Одним из самых сильных резонансов, который ученые считают основным механизмом подпитки групп астероидов, сближающихся с Землей, является резонанс 5:2 (на 5 оборотов астероида приходится ровно 2 оборота Юпитера). Как только Юпитер увеличивает эксцентриситет сблизившихся с ним объектов настолько, что те начинают сближаться с Марсом и Землей, эти две планеты также начинают вносить свой вклад в миграцию астероидов к Солнцу. В итоге большая их часть выпадает на нашу звезду. Это настоящие «космические мотыльки». Характерное время, за которое астероид Главного пояса, попавший в резонанс 5:2, станет по современной классификации околоземным астероидом (Near-Earth asteroid, NEA), составляет всего порядка 10 тысяч лет — мгновение по меркам времени жизни Солнечной системы.

* Изображение в начале материала: NASA/JPL-Caltech